Oczyszczanie gazów spalinowych elektrowni

Oczyszczanie gazów spalinowych elektrowni

Oczyszczanie gazów spalinowych
elektrowni węglowych z CO2
Doroczne Sympozjum naukowe RWE Power w Düsseldorfie
Współpraca AGH z RWE – Europejskim
liderem w zakresie czystych technologii
węglowych owocuje licznymi działaniami
mającymi na celu między innymi
propagowanie na terenie uczelni nowych
technologii w zakresie wytwarzania energii
elektrycznej, bardziej przyjaznych
środowisku.
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii
otworzył we współpracy z RWE
w bieżącym roku „Platformę czystych
technologii węglowych”, która jest
miejscem prezentacji najnowszych
osiągnięć w zakresie usprawniania
systemów pozyskania energii z paliw
stałych.
W dniach 30 i 31 lipca 2009 roku
w Düsseldorfie odbyło się doroczne
Sympozjum naukowe RWE poświęcone
w całości oczyszczaniu gazów
spalinowych elektrowni z dwutlenku
węgla. Jeszcze kilkanaście lat temu
odsiarczanie spalin (uwalnianie ich od
SO2) było wielkim osiągnięciem naukowo-technicznym stopniowo wprowadzanym
do praktyki przemysłowej. Dzisiaj
w problemie odsiarczania obserwuje się
głównie troskę o usprawnianie tej
technologii, tak aby uzyskać wyższą
sprawność i lepszy bilans energetyczny
tego procesu. Obecnie w obszarze
pozyskania energii elektrycznej
problemem nr „1” jest oczyszczanie gazów
spalinowych z dwutlenku węgla. Obecnie
w świecie problem separacji dwutlenku
węgla może być realizowany przez
wychwytywanie CO2 z gazów spalinowych
określonych jako „Postcombustion Carbon
Capture” w skrócie PCC.
W zagadnieniu tym firma RWE ma się
czym pochwalić. Pierwszym krokiem do
sukcesu było powołanie centrum
naukowo-badawczego zwanego „Coal
Innovation Centre Niederaussem”
(Centrum Innowacji Technologii
Węglowych), które między innymi
opracowało technologię oraz
uczestniczyło przy budowie instalacji
pilotowej dla procesu PCC na bloku
elektrowni „BoA-1” w Niederaussem.
Zorganizowane przez RWE
międzynarodowe sympozjum na temat
wychwytywania dwutlenku węgla było
podsumowaniem obecnych światowych
osiągnięć nauki w tej dziedzinie. Poza
prezentacjami naukowców i praktyków
z Australii, USA, Wielkiej Brytanii, Holandii
Austrii i Norwegii, koncern RWE
zaprezentował swoje osiągnięcia w tej
dziedzinie zarówno w formie wykładów
konferencyjnych jak również zwiedzania
działających instalacji proekologicznych.
Działania RWE
zmierzające do ochrony klimatu
Elektrownia „BoA-1” w Niederaussem
opalana węglem brunatnym szczyci się
obecnie pracującym od 6 lat
najnowocześniejszym blokiem
energetycznym o mocy 1050 MW
i sprawności przekraczającej 44 %.
Osiągnięcie tej sprawności w roku 2003
jest wynikiem długoletnich prac
badawczych polegających na
kompleksowej optymalizacji wszystkich
parametrów generacji energii elektrycznej,
do których zaliczyć należy: podwyższenie
parametrów roboczych pary (temperatura
i ciśnienie), rozwiązania konstrukcyjne
kształtu łopatek turbin oraz materiału do
ich produkcji, odzyskanie ciepła z gazów
spalinowych, optymalizacja pracy kotła
itp. Najnowsze technologie sprowadzają
się do wdrożenia kilku innowacyjnych
rozwiązań.
Technologia podsuszania węgla
w systemie WTA
W roku 2008 „Coal Innovation Centre
Niederaussem” wdrożyło technologię WTA
(Wirbelschichttrocknung mit Internet
Abwärmenutzung) podsuszania węgla
ciepłem odpadowym pary niskoprężnej
schodzącej z turbiny niskiego ciśnienia.
Dotychczas węgiel był podsuszany już
w młynach węglowych gazami
spalinowymi z kotła o temperaturze
900÷1000 ˚C. Odparowująca woda
wędrowała do kotła obniżając jego
wydajność cieplną. Podsuszanie węgla
w systemie WTA bazuje podobnie jak
poprzednio na cieple produkowanym
w kotle, ale pobieranym za ostatnim
stopniem turbiny gdzie para ma ciągle
temperaturę około 150 ˚C. Koncepcję
procesu prezentuje rysunek 1. Para o tych
parametrach wyprowadzana jest do
suszarni gdzie oddając ciepło powoduje
osuszenie węgla. Obecna instalacja
Rys. 1. Schemat technologii podsuszania węgla zrealizowanej w systemie WTA
Biuletyn AGH 20 / 21-2009
11
fot. arch. autora
Rys. 2. Widok instalacja WTA w Elektrowni „BoA-1” Niederaussem
widoczna na rysunku 2 jest w stanie
osuszyć w ciągu godziny około 210 ton
węgla zawodnionego z wilgotności
powyżej 50 % do wilgotności około 12 % ,
produkując około 100 ton pary wodnej.
Koszt budowy tego segmentu suszarni
oszacowano na 50 mln Euro.
Wydajność instalacji jest na tyle duża,
że obecnie 30 % węgla dla kotła „BoA-1”
może być podsuszana w tej technologii.
System nie korzysta z dużych ilości energii
zewnętrznej. Ciepło suszenia pozyskiwane
jest w całości z energii pary zrzucanej do
systemu chłodzenia. Pewna ilość energii
jest oczywiście potrzebna do transportu
olbrzymich mas węgla napędzania
wentylatorów. Uwzględniając jednak to
zużycie energii wynikowo po
doprowadzeniu do suszenia całego węgla
wsadowego do kotła „BoA-1” jego
sprawność wzrośnie o 4 %, czyli omawiany
blok osiągnie sprawność rzędu 48 %.
Suszarnia Niederaussem jest obecnie
największą instalacją tego typu
funkcjonującą w świecie. Jest więc
zrozumiałe, że propozycja RWE wzbudziła
duże zainteresowanie w gronie wytwórców
energii na całym globie w tym również
w Polsce, a w szczególności w jednej ze
spółek energetycznych operujących na
węglu brunatnym.
Nowa generacja systemu odsiarczania
spalin w elektrowni Niederaussem
Podobnie znaczącym osiągnięciem
technicznym RWE jest wdrożenie instalacji
odsiarczania najnowszej generacji zwanej
REA Plus. System został opracowany
12
i zbudowany we współpracy z austriacką
firmą „Austrian Energy & Environment
(AE&E). System ten charakteryzuje się
odmiennym od powszechnie stosowanych
systemów odsiarczania sposobem
oddziaływania roztworu tlenku wapnia na
strumień gazów spalinowych
zawierających SO2. Idea procesu
wdrożonego w RWE – Niederaussem
sprowadza się w uproszczeniu do
sprowadzenia gazów spalinowych z kotła
na dolny poziom elektrowni gdzie
wprowadzany jest do pionowego reaktora
(rys. 3), w którym wędrujący do góry gaz
jest spryskiwany intensywnie roztworem
wody i sproszkowanego wapienia .
W wyniku reakcji chemicznej siarka zostaje
związana z wapieniem tworząc uwodniony
siarczan wapnia (gips). Gazy spalinowe
wyprowadzane są do oczyszczania
elektrostatycznego na mokro, i w pełni
oczyszczone wyprowadzane do wieży
kondensacyjnej. W przypadku elektrowni
BoA-1 częśc gazu jest przekazywana dalej
do instalacji wychwytywania CO2. Proces
REA Plus cechuje się generalnie lepszą
skutecznością odsiarczania oraz niższym
zapotrzebowaniem energetycznym.
Osiąga się to poprzez odpowiednia
sekwencje procesów oraz znacznie lepszy
kontakt reagenta (szlamu wapiennego)
z gazami spalinowymi.
Z dwutlenku węgla produkuje się w niej
życiodajny tlen oraz węglowodory
naturalne jak lignina czy celuloza
budująca tkanki roślin i drzew. Człowiek
podejmuje próby opanowania tego
procesu w instalacji przemysłowej, aby
z jednej strony zmniejszyć zawartość CO2
w powietrzu atmosferycznym
i jednocześnie odzyskać pierwiastek „C”
jako źródło energii. W technice znany jest
proces karbonatyzacji, w którym
dwutlenek węgla zostaje związany na
przykład z tlenkiem wapnia tworząc
wapień (węglan wapnia).
Dzisiaj uważa się, że dwutlenek węgla
musi być usuwany sztucznie z powietrza
„CO2 SCRUBBING” w wydaniu RWE
czyli ultranowoczesny system ochrony
klimatu.
Najdoskonalszą fabryką, w której
surowcem jest CO2 jest przyroda.
Rys. 3.
Biuletyn AGH 20/21-2009
atmosferycznego. Na pierwszy rzut idą
duże paleniska jak kotły elektrowni
opalanych węglem, gdzie bogate źródło
tego gazu jest skoncentrowane. Używany
do spalania tlen z powietrza
atmosferycznego daje w efekcie spalenia
oprócz dwutlenku węgla duże ilości innych
gazów. Powstał więc problem jak
odseparować dwutlenek węgla od
pozostałych gazów spalinowych.
Proces ten został opisany w języku
angielskim słowem „Scrubbing” czyli
„wymywanie”.
Jak pokazało sympozjum RWE wiele
przodujących laboratoriów świata
prowadzi w tym względzie wielorakie
badania. Do dzisiaj udało się potwierdzić,
że metoda absorbcyjno – desorbcyjna
może być rozwiązaniem o znaczeniu
praktycznym. Polega ona na (por. rys. 4)
przepuszczaniu ostudzonych do około
650 ˚C gazów spalinowych przez kolumnę
absorbera, w której dwutlenek węgla jest
wiązany chemicznie przez „solvent” –
najczęściej związki organiczne z grupy
amin, a następnie po podgrzaniu do
temperatury około 1200 ˚C w kolumnie
desorbera odzyskuje się czysty dwutlenek
węgla, który jest odprowadzany
z instalacji. Zregenerowany czynnik
sorbcyjny kierowany jest z powrotem do
kolumny absorbera
Uważa się, że czysty dwutlenek
węgla – ten pozyskiwany z instalacji
pilotowej Niederaussem zawiera 99,99 %
CO2 – można następnie skroplić
i przekazać do składowania na przykład
we wnętrzu ziemi. Wiele koncernów
wydobywających gaz ziemny planuje
składowanie CO2 w strukturach
porowatych górotworu gazonośnego
Skuteczność oczyszczenia gazów z CO2
w tej instalacji osiąga 90 %.
W ramach sympozjum RWE
wykazała, że proces ten jest możliwy do
technicznej realizacji, a instalacja pilotowa
o wydajności 300 kg czystego dwutlenku
węgla na godzinę już funkcjonuje i przez
najbliższe 18 miesięcy będzie prowadzić
cenne badania naukowe. Przerażenie
jednak ogarnia, jeżeli oszacuje się
wielkość instalacji, która miałaby oczyścić
gaz z elektrowni gdzie blok o mocy
1050 MW w ciągu godziny spala około
650 ton węgla brunatnego. Na bloku tym
koncern RWE wybudował instalację do
separacji CO2. Jest to instalacja pilotowa –
badawcza o wydajności tylko 300 kg
czystego dwutlenku węgla czyli oczyszcza
około 0,05 % gazów spalinowych bloku
„BoA-1”. Instalacja zajmuje powierzchnię
około 250 m2, ma wysokość 40 m, a koszt
jej budowy wyniósł 9 mln Euro. Chcąc
zbudować instalację na cały dwutlenek
węgla z bloku BoA – licząc najprościej –
jej koszt wyniósłby około 18 mld Euro,
Biuletyn AGH 20 / 21-2009
a fabryka musiałaby zająć powierzchnie
około 50 ha. Oczywiście należy się liczyć
z postępem wiedzy i techniki, ale trzeba
sobie zdać sprawę, że koszt tak
wyprodukowanej energii będzie bardzo
wysoki. Powstaje więc pytanie czy warto
i kogo na to będzie stać?. Może
rozwiązaniem są algi?.
RWE Algae Project
Od roku 2008 RWE prowadzi jeszcze
jeden bardzo ciekawy eksperyment.
W miejscowości Bergheim założono farmę
mikroorganizmów alg, która równocześnie
może być nazwana fotobioreaktorem do
przetwarzania dwutlenku węgla
w biomasę. Mikroorganizmy alg wzrastają
znacznie szybciej niż jakiekolwiek rośliny
żyjące na lądzie. W naszym klimacie
mikro-algi mogą produkować na jednym
hektarze powierzchni od 60 do 120 ton
suchej substancji rocznie zużywając
120–200 ton dwutlenku węgla.
Dodatkowym atutem jest to, że algi
morskie mogą żyć i wzrastać równie
szybko w wodzie słonej. W odróżnieniu od
instalacji zaprezentowanej wcześniej
farma mikro-alg jest bardzo prostym
rozwiązaniem technicznym. Trudno jednak
sobie wyobrazić farmę fotobioreaktorów
zdolnych zagospodarować cały dwutlenek
węgla pochodzący z dużej elektrowni
węglowej. Blok o mocy 1 GW opalany
węglem brunatnym produkuje rocznie
około 8,5 mln ton dwutlenku węgla. Chcąc
go zagospodarować w całości farma alg
powinna mieć powierzchnie około
44 tys. ha (430 km2). Chociaż dzisiaj
wydaje się to mało realistyczne pierwsze
kroki w badaniu tych rozwiązań RWE już
postawiła.
Podsumowanie
Uczestnicząc w tegorocznym sympozjum
RWE można się było przekonać, że
koncern ten jest instytucją, podejmująca
bardzo trudne tematy naukowe. Inwestując
znaczące środki na badania naukowe i ich
wdrażanie do praktyki przyczynia się do
wielce oczekiwanego postępu
technicznego w udoskonalaniu metod
pozyskiwania energii. Współpraca AGH
z tym koncernem przynosi wiele dobrych
rezultatów. Szczególnie cenne dla
Wydziału Górnictwa i Geoinżynierii są
doroczne wizyty studyjne studentów oraz
możliwość podnoszenia kwalifikacji przez
naszych pracowników na stażach
naukowych. Po wakacjach rusza druga
edycja czterech stypendium RWE dla
wybitnych studentów wybranych
wydziałów AGH.
W nadchodzącym nowym roku
akademickim kontynuowane będą
zarówno spotkania czwartkowe
z ekspertami światowymi prezentującymi
najnowsze osiągnięcia w dziedzinie
górnictwa i dyscyplin pokrewnych jak
również realizowany będzie program
PO-KL „Fabryka inżynierów”, w ramach
którego kolejni pracownicy naukowi będą
mogli wyjechać na miesięczny staż
zagraniczny. Również w tej współpracy
RWE jest bardzo dobrym i sprawdzonym
Partnerem.
 dr hab. inż. Piotr Czaja prof. nadzw.
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii AGH
Rys. 4.
13